40 Gbit/s光傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用方案

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，對(duì)骨干傳輸網(wǎng)提出了更高的傳輸速率需求，在此背景下40Gbit/s傳輸系統(tǒng)逐步進(jìn)入了歷史舞臺(tái)。首先對(duì)40Gbit/s系統(tǒng)的應(yīng)用背景、采用的關(guān)鍵技術(shù)和所具備的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行論述；然后給出40G系統(tǒng)的商用方案，并對(duì)方案進(jìn)行對(duì)比分析。

　　1、背景

　　自90年代中期以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)容量一直以每5～6年翻4倍的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。從622M到2.5G，從2.5G到10G，光纖傳輸速率的每次飛躍過(guò)程用“道路曲折，前途光明”來(lái)形容最為貼切。近期，40G也將面臨類似向10G演進(jìn)時(shí)的微妙階段。目前普遍認(rèn)為，向40G邁進(jìn)的步伐明顯落后于容量增加的正常規(guī)律[1]，其中的原因有多方面，包括市場(chǎng)需求迫切程度、大容量10G波分復(fù)用技術(shù)的廣泛應(yīng)用、高速傳輸帶來(lái)的技術(shù)或成本難題以及電信泡沫的破裂等。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用更趨謹(jǐn)慎，對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)容量的提升采取了亦步亦趨的做法，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更加理性。

　　光通信市場(chǎng)在經(jīng)歷低谷之后，如今元?dú)庖鸦镜靡曰謴?fù)，并呈現(xiàn)良好的上升勢(shì)頭。互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)（尤其寬帶業(yè)務(wù)）的迅猛發(fā)展極大地拉動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)帶寬的需求，加上3重播放業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，使得運(yùn)營(yíng)商有必要采用更高速率。因此，時(shí)隔幾年，沉寂了一段時(shí)間的40G系統(tǒng)再次進(jìn)入大家的視線，讓人們又一次充滿期待。

　　 2、40Gbit/s傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　40Gbit/s系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)要廣泛應(yīng)用電子學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)。首先，需要將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)低速顆粒復(fù)用為40Gbit/s信號(hào)，將其成幀；其次，選擇適合傳輸?shù)母袷竭M(jìn)行編碼，然后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和調(diào)制；最后，將其發(fā)送到光纖上傳輸?shù)阶罱墓夥糯笳军c(diǎn)。完成這些工作需要解決許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，主要包括：IC材料技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、提高光信噪比（OSNR）技術(shù)、色散補(bǔ)償技術(shù)、超級(jí)FEC等。

　　（1）IC材料技術(shù)
　　
　　40Gbit/s網(wǎng)絡(luò)隨著脈寬或脈沖間隔的變窄，信號(hào)抖動(dòng)和碼間干擾（ISI）對(duì)信號(hào)的影響也變得更差。為了保證高質(zhì)量的波形傳輸，就必須改善數(shù)字和模擬IC技術(shù)，以便高速、寬帶、低噪聲地對(duì)光波形進(jìn)行整形和再定時(shí)。另外，IC功能的改良和功耗的減少是縮減成本的必要途徑。

    在40Gbit/s系統(tǒng)中很多芯片需要采用InP（銦磷）材料，但是InP材料制作比較困難，同時(shí)由于芯片尺寸太小，使得與光纖的耦合變得非常困難，插損大。

　　（2）調(diào)制技術(shù)

　　目前主要有3種傳統(tǒng)光調(diào)制器：直接調(diào)制分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）、電吸收外部調(diào)制（EAM）、包括集成在DFB-LD芯片上的EAM和LiNbO3馬赫-曾德?tīng)枺∕achZehnder）外部調(diào)制。這些調(diào)制器的應(yīng)用領(lǐng)域是由他們各自的帶寬、啁啾脈沖和波長(zhǎng)相關(guān)性所決定的。前兩種方式不適合高速系統(tǒng)，LiNbO3調(diào)制可以生成高速、低啁啾的傳輸信號(hào)，而且特性與波長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系，被認(rèn)為是40Gbit/sWDM傳輸系統(tǒng)的最佳選擇。

　　40G調(diào)制格式的選擇是一個(gè)難題。目前有多種方式，例如NRZ碼、差分相移鍵控RZ碼、光孤子、偽線性RZ、啁啾的RZ、全譜RZ、雙二進(jìn)制等等。從最新的研究成果分析，差分相移鍵控RZ碼（DPSK）顯得最有希望，這種調(diào)制方式的頻譜寬度介于NRZ和RZ之間，比普通RZ碼的頻譜效率高，可以改進(jìn)色散容限、非線性容限和PMD容限，傳輸距離比普通RZ碼長(zhǎng)。

　　（3）提高光信噪比技術(shù)

　　同10Gbit/sWDM系統(tǒng)相比較，40Gbit/s WDM系統(tǒng)有更多與光信噪比（OSNR）、色散、非線性作用、PMD等有關(guān)的尚待解決的問(wèn)題。對(duì)于40 Gbit/s系統(tǒng)，為了要達(dá)到與10 Gbit/s系統(tǒng)相近的傳輸誤碼率，系統(tǒng)OSNR需提高6～8 dB。

　　（4）色散補(bǔ)償技術(shù)

　　從理論上看，色度色散代價(jià)和極化模色散代價(jià)都隨比特率的平方關(guān)系增長(zhǎng)，因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難。由于小于100ps/nm色散容差很小，對(duì)于40Gbit/s的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有可能會(huì)造成極其嚴(yán)重的限制，所以，從系統(tǒng)靈活設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，應(yīng)采用可變色散補(bǔ)償器（VDC）進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。40Gbit/s傳輸系統(tǒng)的另一個(gè)很嚴(yán)重的制約因素是偏振模色散（PMD），它是由纖心的不對(duì)稱以及內(nèi)、外壓力（如光纖的彎曲）所致。由于引入了雙折射，光纖中的兩個(gè)傳播偏振模經(jīng)歷了群時(shí)延的微分（DGD），這導(dǎo)致了脈沖的加寬，即產(chǎn)生碼間干擾（ISI）并表現(xiàn)為比特誤差率的上升。

　　（5）超級(jí)FEC技術(shù)[2]

　　這是一個(gè)相對(duì)比較古老的技術(shù)，從1984年面世，至今才開(kāi)始形成大規(guī)模的應(yīng)用。隨著光速率達(dá)到40G，提高光信噪比的難度越來(lái)越大，成本和代價(jià)也越來(lái)越高，F(xiàn)EC就成為一個(gè)非常關(guān)鍵的實(shí)用技術(shù)。特別是對(duì)于40Gbit/s速率，采用帶外FEC已經(jīng)成為關(guān)鍵的使能技術(shù)之一，不僅可以使傳輸距離達(dá)到實(shí)用化要求，而且在一些短距離傳輸系統(tǒng)上，可以避免實(shí)施昂貴復(fù)雜的有源PMD補(bǔ)償。

　　3、40Gbit/s傳輸系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)

　　 基于所采用的關(guān)鍵技術(shù)以及本身的特性，40Gbit/s系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　（1）可以比較有效地使用傳輸頻帶，頻譜效率比較高。

　?。?）減少了OAM的成本、復(fù)雜性以及備件的數(shù)量。尤其在城域骨干網(wǎng)絡(luò)上，調(diào)度性、集成度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于4個(gè)10G系統(tǒng)，可以節(jié)省機(jī)房面積，減少設(shè)備堆疊，提高單節(jié)點(diǎn)設(shè)備的帶寬管理能力和調(diào)度能力。

　?。?）每比特的成本比其它的城域網(wǎng)的方案更加經(jīng)濟(jì)。

　?。?）通常單波長(zhǎng)可以處理多個(gè)數(shù)據(jù)連接，核心網(wǎng)的功能將會(huì)大大地增強(qiáng)，40G將使業(yè)務(wù)得到更加高效和有保護(hù)的承載。

　　鑒于以上優(yōu)勢(shì)，40G將具有廣泛的應(yīng)用范圍。在商用模式具備后，40Gbit/s接口將會(huì)出現(xiàn)在DWDM系統(tǒng)、ADM設(shè)備、大容量帶寬管理設(shè)備及路由器上[3]，將為數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)POP節(jié)點(diǎn)提供高速互聯(lián)的功能。因此，40G系統(tǒng)將會(huì)在城域骨干網(wǎng)以及長(zhǎng)途干線網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。